商洛市山陽縣山區茶園節水灌溉設計淺析

趙 瑩，杜耀輝

（西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司，陜西 西安 710014）

山陽縣法官鎮塔園溝片區灌溉面積為530 畝，種植作物全部為茶樹。總體設計方案為：灌溉片區現狀溝道上建引水堰閘一座，攔截地表水，通過引水管引流至泵站前池，經水泵將水提至位于山頂的高位水池，高位水池連接配水管道，通過自流將水輸送至田間地頭，采用滴管方式對茶園進行灌溉。

茶葉作為山陽縣特色產業之一，當地縣政府領導高度重視，積極整合各級各類相關資金，擴大農田水利建設規模，本次項目區茶園基本連續成片分布，管理體系系統完善，后期的管理運行效率高，所選片區的茶園單位也積極配合，工作開展方便。

1 引水堰閘設計

塔園溝片區新建引水堰1 座，引水堰具體參數見表1。

取水樞紐的設計洪峰流量為5.5 m3/s，校核洪峰流量為7.6 m3/s。

本工程為Ⅴ等小（2）型工程，均采用10 年一遇洪水設計，20 年一遇洪水校核，塔園溝設計洪峰流量為5.5 m3/s，校核洪峰流量為7.6 m3/s。根據寬頂堰泄流公式：

式中：m 為流量系數，ε 為側收縮系數，本工程 ε=1.0；B 為堰寬，B=10 m；σs為淹沒系數；H0為堰前計入行進流速水頭的堰上總水頭，取H0=H+v2/2g，H 為堰頂凈水頭；v 為為行近流速。

堰體過流能力計算表見表2。

表1 引水堰具體參數表

表2 堰體過流能力計算表

2 泵站設計

2.1 基本情況

塔園溝泵站屬新建泵站，引水堰閘取水，根據測量圖計算的泵站控制面積和泵站流量見表3。

表3 泵站設計流量計算表

2.2 管徑選擇

管段管徑根據該管段的計算流量和經濟流速來確定。管徑選擇采用公式：

2.3 設計揚程

輸水管道總水頭損失按以下公式計算：

輸水管道、配水管網沿程損失采用海曾—威廉公式計算：

hj局部水頭損失計算采用《村鎮供水工程設計規范》（SL 687-2014），輸水管道的局部水頭損失，按沿程水頭損失的5%～10%計算。參照已建成工程設計經驗，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計，水頭損失計算見表4。

2.4 水泵選型

水泵選擇比較靈活，在滿足流量和揚程情況下即可使用，因此本設計優先考慮低功率，高效率的水泵。針對本工程結合地形條件，選泵結果見表5。

3 高位水池設計

高位水池根據《節水灌溉工程技術規范》，微灌時的蓄水工程規模，宜按每次灌水量不小于150 m3/hm2（10 m3/畝）確定，按灌水規模強度最大的情況計算高位水池容積，計算結果見表6。

表4 輸水管道水頭損失及設計揚程計算統計表

表5 水泵選型特性表

表6 蓄水池特性統計表

4 滴灌設計

4.1 設計灌溉制度

4.1.1 最大凈灌水定額確定

根據《節水灌溉工程技術規范》中灌水定額計算公式如下：

計算得出m=14.5 m3/畝=21.75 mm。

（2）最大灌水周期：

計算得，Tmax=7.25 d。

（3）設計灌水周期：

故取設計灌水周期為7 d。

（4）設計凈灌水定額：

設計凈灌水定額計算公式為：

式中：md為設計凈灌水定額，mm。

計算 md＝7×3=21 mm，即 14 m3/畝。

（5）設計毛灌水定額：

設計毛灌水定額：

式中：m'為設計毛灌水定額，mm；η 為灌溉水利用系數,取0.95。

計算得，m'=22.11 mm=14.74 m3/畝。

4.1.2 系統布置

本工程灌溉系統結構為：水源（高位水池）→施肥罐→組合過濾器→干管→分干管→支管→滴灌帶。

茶樹種植方向為東西向，行間距1.2 m，株間距0.5 m。本系統采用主干管、分干管、支管和毛管的管網結構，一條支管灌溉40 行茶樹，向一側延伸毛管，毛管沿作物種植方向鋪設，毛管、支管、分干管、主干管依次成正交布置；主干管、分干管、支管采用PE 埋設在地下，毛管采用滴灌帶管鋪設在地面。

表7 輸配水管網參數表

4.1.3 灌水器

灌水器采用DE16PE 內鑲式滴灌管，滴頭參數表見表8。

表8 滴頭參數表

5 設計參數

根據灌溉面積確定，可求得系統的供水流量：

塔園溝灌溉530 畝的可供流量為55.74 m3/h。

6 灌水小區允許水頭偏差

溫室內灌水小區滴灌帶上的滴頭設計允許流量偏差應滿足要求：[qv]≤20%，即一個輪灌組內任何兩個灌水器的流量偏差率必須小于20%。灌水器工作水頭偏差率與流量偏差率按下式確定：

式中：hv為灌水器水頭偏差率，%；qv為灌水器流量偏差率，%；x為灌水器流態指數。

灌水器為滴頭，當滴頭的流量偏差率qv=20%時，計算得hv=0.34，即滴頭設計允許水頭偏差率[hv]=34%。

一個灌水小區設計允許水頭偏差，即輔管、毛管設計允許水頭差按下式確定：

經計算，灌水小區允許水頭偏差[Δh]=34%×10=3.4 m，灌水小區允許水頭偏差的分配：支管允許水頭偏差分配值為0.45[Δh支]=0.45×3.4 m=1.53 m；毛管允許水頭偏差分配值為0.55[Δh毛]=0.55×3.4 m=1.87 m。

毛管允許極限孔數和鋪設長度：

毛管允許極限孔數：Nm＝159 個，毛管的鋪設長度：Lm=S（Nm-1）+S0=0.5×（159-1）+0.3=79.3 m；經計算，毛管的極限鋪設長度為79.3 m，本次設計取毛管長度為50 m。

7 灌溉工作制度和流量

（1）初定一次灌水延續時間t：

則 t=mStSr/q＝（22.11×0.5×1.2）/2.3＝5.76 h。經計算，一次灌水延續時間為5.76 h，本次設計選取6 h。

（2）輪灌組數目：

實際輪灌組數不得超過允許的最大輪灌組數。結合項目區位置情況，將本系統分為21 個輪灌組。一天工作3 組，7 天可以灌溉完畢。

8 管道流量計算和水力設計

8.1 系統流量推算

8.1.1 毛管入口流量

灌水器流量q=2.3 L/h，孔間距0.5 m，每棵茶樹周圍開孔一個，有1 個滴水器流量為2.3 L/h，允許鋪設長度為79.3 m，本次設計鋪設長度取50 m。即每條毛管的流量根據下面的公式進行計算。

式中：L 為毛管長度，50 m；L 孔為孔口間距，取 0.5 m；qd為微管的設計流量，2.3 L/h。

則計算得到 Q田間毛＝50/0.5×2.3=230 L/h=0.23 m3/h。

支管極限孔數以及極限長度：

經計算Nm=70。支管的鋪設長度：Lm=S（Nm-1）+S0=1.2×（70-1）+1=83.4 m

經計算，支管的極限鋪設長度為83.4 m，本設計支管鋪設長度在50 m，小于支管的極限鋪設長度，因此輔管鋪設長度滿足要求。

8.1.2 支管入口流量

支管的流量等于該支管負責的毛管流量之和，對于不在同一個輪灌組的支管，按照最大數目確定。

經計算 Q支=9.2 m3/h。

8.1.3 干管流量

由于本次設計輪灌組按照毛管數目均等劃分，系統運行一個分組輪灌時，干管流量的等于同時開啟毛管的流量之和。則：

進行輪灌時，每個輪灌組共開啟4 個支管即156 根毛管，則 Q干=36.8 m3/h。

8.2 系統水力計算

根據《微灌工程技術規范》（GB/T 50485-2009），規定管道沿程水頭損失計算系數、指數見表9。

表9 管道沿程水頭損失計算系數、指數表

本次設計毛管選用DE16 的PE 管。毛管水頭損失按下式計算：

式中：h毛為等距多孔毛管沿程水頭損失，m。

經計算，Σh毛＝0.5 m，不超過毛管允許水頭偏差分配值1.87 m。

毛管進口壓力為：

當出水孔平均流量為2.3 L/h 時，毛管進口壓力h0=10.5 m。此值即為以支管控制的灌水小區中毛管進口平均設計工作水頭。

支管管徑根據下式進行計算：

支管水頭損失計算：

經計算，Σh支＝1.33+0.13=1.46 m。

分干管管徑、水頭損失與支管相同，經計算Σh分干＝3.21+0.32=3.53 m。

干管管徑、水頭損失與支管相同，經計算Σh干＝4.82+0.48=5.3 m。

在最不利輪灌組條件下，按下式計算系統的工作水頭：

經計算，h=30.79 m。

9 結語

農田水利高效節水基礎設施的建設，使得農業科技的應用和轉化能力得到了提高，改變了傳統的澆灌方式，真正實現了科學灌溉，對農作物土壤起到了很好的保護作用，有效的防止土壤的流失，改變了傳統的工程建設對周圍生態環境造成不利影響的面貌。